Что такое электродный потенциал?

Вычисление стандартных электродных потенциалов

7.3 РЕШЕНИЕ ТИПОВЫХ ЗАДАЧ ПО ТЕМЕ “ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОХИМИИ” (для нехимических специальностей)

1. Определите, какой из электродов является катодом в гальваническом элементе, образованном стандартными электродами:

Ag|Ag + или Mn|Mn 2+ ;

Co|Co 2+ или Na|Na + .

Катодом (т.е. электродом, на котором протекает процесс восстановления) в гальваническом элементе будет электрод, имеющий большее значение стандартного электродного потенциала (см. таблицу 4 приложения).

E 0 _Ag|Ag + = 0,799 В ; E 0 _Mn|Mn 2+ = –1,179 В. В данной паре катодом является Ag|Ag + .

A (–) Mn|Mn 2+ || Ag + | Ag (+) K

E 0 _Co|Co 2+ = – 0,277 В ; E 0 _Na|Na + = –2,714 В. В данной паре катодом является Co|Co 2+ .

C хема гальванического элемента:

A (–) Na|Na + || Co 2+ | Co (+) K

2. На основании стандартных электродных потенциалов (таблица 4 приложения) определите, какой из следующих гальванических элементов имеет наибольшую ЭДС:

а) Zn|Zn 2+ || Ni 2+ |Ni; б) Cd|Cd 2+ || Ni 2+ |Ni

в) Al|Al 3+ || Ni 2+ |Ni ; г) Mg|Mg 2+ || Ni 2+ |Ni .

а) ЭДС = Е 0 _Ni|Ni 2+ – Е 0 _Zn|Zn 2+ = – 0,250 – (–0,763) = 0,513 В ;

б) ЭДС = Е 0 _Ni|Ni 2+ – Е 0 _Cd|Cd 2+ = – 0,250 – (–0,403) = 0,153 В ;

в) ЭДС = Е 0 _Ni|Ni 2+ – Е 0 _Al|Al 3+ = –0,250 – (–1,663) = 1,413 В ;

г) ЭДС = Е 0 _Ni|Ni 2+ – Е 0 _Mg|Mg 2+ = –0,250 –(–2,363) = 2,113 В.

В случае г) ЭДС гальванического элемента будет наибольшей.

3. Вычислите электродный потенциал магния погруженного в раствор MgSO₄ с концентрацией ионов Mg 2+ , равной 0,01 моль/ л .

Вычисление электродного потенциала металла при любой концентрации его ионов (моль/л) в растворе производится по уравнению Нернста. Для магниевого электрода:

E = E 0 + = –2,363 + = –2,422 В.

4. Вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из двух электродов: Ti | Ti 2+ (0,01 моль/л) || Ni 2+ (1 моль/л) | Ni .

В данном гальваническом элементе катод — Ni 2+ | Ni , а анод — Ti|Ti 2+ .

А (–) Ti | Ti 2+ || Ni 2+ | Ni (+) К

Процессы на электродах:

(–) А : Ti – 2e — = Ti 2+ ;

(+) K: Ni 2+ + 2e — = Ni.

По уравнению Нернста рассчитываем значение электродного потенциала анода.

E _Ti|Ti 2+ = E 0 _Ti|Ti 2 + + = –1,630 + = –1,689 В ;

Значение электродного потенциала катода равно величине стандартного электродного потенциала никелевого электрода, так как концентрация ионов Ni 2+ в растворе составляет 1 моль/ л .

E _Ni|Ni 2+ = E 0 _Ni|Ni 2+ = – 0,250 В ;

ЭДС = –0,250 – ( –1,689) = 1,439 В.

5. Какой из следующих процессов протекает при электролизе водного раствора NaI на графитовом аноде?

а ) Na – e — = Na + ; б ) 2I – – 2e — = I₂ ;

При электролизе водных растворов солей в нейтральной среде на аноде возможны два процесса окисления:

1. процесс окисления анионов соли (кислотного остатка) :

2. процесс электрохимического окисления молекул воды:

В данном случае на аноде при электролизе будут окисляться иодид-анионы, т.к. для электрохимического окисления воды необходима большая положительная поляризация анода.

Ответ: 2I – – 2e — = I₂

6. Какое вещество и в каком количестве выделится на катоде при электролизе раствора Hg (NO₃)₂ (анод графитовый) в течение 10 минут при силе тока 8А?

При электролизе водных растворов солей в нейтральной среде на катоде возможно протекание двух восстановительных процессов. Один из них – восстановление катионов металла:

Другой возможный процесс – восстановление водорода из молекул воды:

В данном случае на катоде будут восстанавливаться катионы ртути, т.к. этот металл входит в группу малоактивных металлов, и для его восстановления необходима меньшая отрицательная поляризация электрода, чем для восстановления водорода.

На катоде: Hg 2+ + 2e — = Hg ;

Количество выделившейся ртути, согласно законам Фарадея, равно:

m_Hg = I t _(сек)= · 8 · 600 = 5 г .

Разность потенциалов

Разность потенциалов, или напряжение, – одно из основных понятий электротехники. Ее можно определить как работу электрического поля, затраченную на перенос заряда между двумя точками. Тогда на вопрос, что такое потенциал, можно ответить, что это работа по переносу единичного заряда из данной точки в бесконечность.

Как и в случае гравитационных сил, заряд, подобно телу с потенциальной энергией, имеет определенный электрический потенциал при внесении его в электрическое поле. Чем выше напряженность электрического поля, и больше величина заряда, тем выше его электрический потенциал.

Для определения напряжения существует формула:

U=A/q,

которая связывает работу А по перемещению заряда q из одной точки в другую.

Проведя преобразование, получим:

А=Uq.

То есть чем выше напряжение, тем большую работу электрическим полем (электричеством) надо затратить по переносу зарядов.

Данное определение позволяет понять суть мощности источника питания. Чем выше его напряжение, разность потенциалов между клеммами, тем большее количество работы он может обеспечить.

Разность потенциалов измеряется в вольтах. Для измерения напряжения созданы измерительные приборы, которые именуются вольтметрами. Они основаны на принципах электродинамики. Ток, проходя по проволочной рамке вольтметра, под действием измеряемого напряжения создает электромагнитное поле. Рамка находится между полюсами магнитов.

Взаимодействие полей рамки и магнита заставляет последнюю отклониться на некоторый угол. Большая разность потенциалов создает больший ток, в результате угол отклонения увеличивается. Шкала прибора пропорциональна углу отклонения рамки, то есть разности потенциалов и проградуирована в вольтах.

Вольтметр

В руках современного электрика имеются не только стрелочные, но и цифровые измерительные приборы, которые не только измеряют электрический потенциал в определенной точке схемы, но и другие величины, характеризующие электрическую цепь. Напряжения в точках измеряются по отношению к другим, которым условно присваивают значение нуля. Тогда измеренное значение между нулевым и потенциальным выводами даст искомое напряжение.

Сказанное выше относится к напряжению как разности потенциалов между двумя зарядами. В электротехнике эта разность измеряется на участке цепи при протекании по нему тока. В случае переменного тока, то есть изменяющего во времени амплитуду и полярность, напряжение в цепи изменяется по такому же закону. Это справедливо только при наличии в схеме активных сопротивлений. Реактивные элементы в цепи переменного тока вызывают сдвиг фазы относительно протекающего тока.

дальнейшее чтение

На английском

• Зумдал, Стивен С., Зумдал, Сьюзен А. (2000) Химия (5-е изд.), Houghton Mifflin Company. ISBN 0-395-98583-8
• Аткинс, Питер, Джонс, Лоретта (2005) Химические принципы (3-е изд.), WH Freeman and Company. ISBN 0-7167-5701-X
• Zu, Y, Couture, MM, Kolling, DR, Crofts, AR, Eltis, LD, Fee, JA, Hirst, J (2003) Biochemistry , 42, 12400-12408
• Шаттлворт, SJ (1820) Электрохимия (50-е изд.), Harper Collins.

На испанском

• Крышка. X: Основы электрохимии. В: Количественная химия. Гленн Браун. От редакции, 1977. ISBN 8429170804 Pág. 272
• Крышка. 13: Электрохимические батареи. В: Физическая химия, Том 1. Артур В. Адамсон. От редакции, 1979. ISBN 429170197 Стр. 665

Вычисление стандартных электродных потенциалов

Электродный потенциал не может быть получен эмпирически.

Потенциал гальванической ячейки вытекает из «пары» электродов. Таким образом, невозможно определить величину для каждого электрода в паре, используя эмпирически полученный потенциал гальванической ячейки. Для этого установлен водородный электрод, для которого этот потенциал точно определён и равен 0,00 В, и любой электрод, для которого электронный потенциал ещё неизвестен, может быть соотнесён со стандартным водородным электродом с образованием гальванической ячейки — и в этом случае потенциал гальванической ячейки даёт потенциал неизвестного электрода.

Так как электродные потенциалы традиционно определяют как восстановительные потенциалы, знак окисляющегося металлического электрода должен быть изменён на противоположный при подсчёте общего потенциала ячейки. Также нужно иметь в виду, что потенциалы не зависят от количества передаваемых электронов в полуреакциях (даже если оно различно), так как они рассчитаны на 1 моль переданных электронов. Отсюда при расчёте какого-либо электродного потенциала на основании двух других следует проявлять внимательность.

Например:

Fe3++ 3e−→ Fe(тв) −0.036 В

Fe2++ 2e−→ Fe(тв) −0.44 В

Для получения третьего уравнения:

Fe3++ e−→ Fe2+(+0.77 В)

следует умножить потенциал первого уравнения на 3, перевернуть второе уравнение(поменять знак) и умножить его потенциал на 2. Сложение этих двух потенциалов даст стандартный потенциал третьего уравнения.

Основные типы электродов и расчет их потенциала

В зависимости от природы электродной реакции различают следующие типы электродов.

1) Электроды I рода – представляют собой металл или неметалл, погруженный в раствор, содержащий его ионы.

Металлические электроды I рода схематически можно записать:

В основе работы электрода I рода лежит реакция:

Применим уравнение Нернста (192) для расчета потенциала электрода:

В электрохимии стандартные состояния выбирают таким образом, что активность нейтральных металлов

Потенциал металлического электрода I рода определяется термодинамической активностью ионов данного металла в растворе, поэтому электроды I рода обратимы относительно катиона. К металлическим электродам I рода относят цинковый, медный электроды и т.д.

2) Электроды II рода – представляют собой металлическую пластину, покрытую слоем малорастворимой соли данного металла и погруженную в раствор, содержащий анионы малорастворимой соли:

В основе работы электрода II рода лежит реакция:

Применяя уравнение Нернста с учетом выбранного стандартного состояния, получаем:

Как видно, потенциалопределяющими ионами являются анионы малорастворимой соли, поэтому электроды II обратимы относительно аниона. Электроды II рода характеризуются хорошей воспроизводимостью и на практике часто применяются в качестве электродов сравнения, в частности, при измерении

3) Газовые электроды – электроды, состоящие из инертного металла (обычно платины), контактирующего одновременно с газом и раствором, содержащим ионы газообразного вещества.

Например, водородный электрод, представляет собой платиновую пластинку, покрытую слоем электролитической платины (для обеспечения достаточной площади контакта) и погруженную в раствор, содержащий ионы водорода, при этом через раствор непрерывно под давлением пропускают газ, содержащий молекулярный водород. Платина способна адсорбировать молекулярный водород.

В основе работы водородного электрода лежит реакция:

Применим уравнение Нернста

Термодинамическая активность молекулярного водорода определяется уравнением:

Как видим, потенциал водородного электрода определяется как активностью ионов водорода, так и парциальным давлением водорода.

Если

стандартным

При

Потенциалы всех остальных электродов определяют по водородному.

4) Окислительно-восстановительные электроды (электроды III рода) – представляют собой пластину из инертного металла (например, платины), погруженную в раствор, содержащий окисленные и восстановленные формы веществ (ионов или молекул).

Уравнение для расчета потенциала электрода имеет вид:

5) Стеклянный электродпредставляет собой сосуд из тонкого стекла, обладающего повышенной электропроводностью, заполненный раствором, содержащим ионы водорода (соляная кислота), в который погружен электрод чаще II рода (обычно хлорсеребряный электрод).

В результате обмена ионов

Потенциал электрода

где

Стеклянный электрод широко используют при измерении

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Увлечёшься девушкой-вырастут хвосты, займёшься учебой-вырастут рога 9987 —

188.64.169.166 studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock! и обновите страницу (F5)очень нужно

голоса

Рейтинг статьи

1.4 Расчет электродного потенциала. Уравнение Нернста

В результате изучения потенциалов различных электродных процессов установлено, что их величины зависят от следующих факторов:

1) от природы веществ – участников электродного процесса;

2) от соотношения между концентрациями этих веществ;

3) от температуры системы.

Значения электродных потенциалов рассчитывают по уравнению Нернста:

где

Или для металлического электрода

где n – число электронов, теряемых атомом металла при образовании катиона;

Для обычной при электрохимических измерениях стандартной температуры (Т = 25ºС или 298 К), при подстановке значений постоянных величин уравнение принимает вид:

Потенциометры

Что такое фаза

Напряжение источников питания, в особенности автономных, таких как аккумуляторы, химические источники, солнечные и тепловые батареи, является постоянным и не поддается регулировке. Для получения меньших значений используются, в простейшем случае, потенциометрические делители напряжения с использованием трехвыводного переменного резистора (потенциометра). Как работает потенциометр? Переменный резистор представляет собой резистивный элемент с двумя выводами, по которому может перемещаться контактный ползунок с третьим выводом.

Потенциометр-реостат

Переменный резистор может включаться двумя способами:

• Реостатным;
• Потенциометром.

В первом случае у переменного резистора используются два вывода: один – основной, другой – с ползунка. Перемещая ползунок по телу резистора, изменяют сопротивление. Включив реостат в цепь электрического тока последовательно с источником напряжения, можно регулировать ток в цепи.

Реостатное включение

Включение потенциометром требует использования всех трех выводов. Основные выводы подключаются параллельно источнику питания, а пониженное напряжение снимается с ползунка и одного из выводов.

Принцип действия потенциометра заключается в следующем. Через резистор, подключенный к источнику питания, проходит ток, который создает падение напряжения между ползунком и крайними выводами. Чем меньше сопротивление между ползунком и выводом, тем меньше напряжение. Данная схема имеет недостаток, она сильно нагружает источник питания, поскольку для корректной и точной регулировки требуется, чтобы сопротивление переменного резистора было в несколько раз меньше сопротивления нагрузки.

Потенциометрическое включение

Обратите внимание! Название «потенциометр» в данном случае не совсем корректно, поскольку из названия следует, что это устройство для измерения, но так как по принципу действия оно схоже с современным переменным резистором, то это название за ним прочно закрепилось, особенно в любительской среде. Многие понятия в физике схожи и могут служить примером друг другу

Это справедливо и для такого понятия, как потенциал, который может быть как механической величиной, так и электрической. Сам по себе потенциал измерить невозможно, поэтому речь идет о разности, когда один из двух зарядов принимается за точку отсчета – нуль или заземление, как принято в электротехнике

Многие понятия в физике схожи и могут служить примером друг другу. Это справедливо и для такого понятия, как потенциал, который может быть как механической величиной, так и электрической. Сам по себе потенциал измерить невозможно, поэтому речь идет о разности, когда один из двух зарядов принимается за точку отсчета – нуль или заземление, как принято в электротехнике.

Что такое потенциал одного электрода?

Потенциал одного электрода — это потенциал полуячейки электрохимической ячейки. Электрохимическая ячейка состоит из двух половинных ячеек. Обычно каждая полуячейка представляет собой металлический электрод. Эти металлы выделяют свои ионы в электролит (раствор, в который погружены электроды) при обрыве цепи. Следовательно, этот электрод может создавать вокруг себя электрический потенциал. Таким образом, это то, что мы называем потенциалом одного электрода.

Например, в ячейке Дэниела анодом является цинк, а катодом — медь. Здесь анод развивает отрицательный заряд, а катод — положительный. Эти заряды по отдельности определяют потенциал одного электрода этих электродов. Более того, есть три фактора, от которых зависит этот потенциал; концентрация ионов в растворе, склонность к образованию ионов и температура.

внешняя ссылка

На английском

• Стандартный водородный потенциал
• Окислительно-восстановительные равновесия
• Химия батарей
• Электрохимические ячейки

На испанском

• Электроды сравнения. Наука для всех. Латиноамериканский институт образовательных коммуникаций. Мексика.
• электрохимические ячейки. Физико-химические методы в окружающей среде. UNED.
• Термодинамические принципы электрохимических ячеек. Электронная библиотека Чилийского университета.
• Электрохимия и коррозия. Университет Ольгина «Оскар Лусеро Мойя».

авторитетный контроль	Проекты Викимедиа Данные: Q368639 Онтологии Номер ИЭВ: 114-02-13

Гальванический потенциал в зависимости от электрохимического потенциала

Основные статьи: Гальванический потенциал, Электрохимический потенциал, и Уровень Ферми

Внутри металлов (и других твердых тел и жидкостей) энергия электрона зависит не только от электрического потенциала, но и от конкретной атомной среды, в которой он находится. вольтметр соединен между двумя разными типами металла, он измеряет не разность электрических потенциалов, а вместо этого разность потенциалов, скорректированную для различных атомных сред. Величина, измеренная вольтметром, называется электрохимический потенциал или уровень ферми, а чистый нескорректированный электрический потенциал V

иногда называют Гальванический потенциал ϕ { displaystyle phi} . Термины «напряжение» и «электрический потенциал» немного двусмысленны, поскольку на практике они могут относиться клибо из них в разных контекстах.

Таблица нормальных восстановительных потенциалов

Основная статья: Приложение: Таблица восстановительных потенциалов

Поскольку значения электродных потенциалов указывают на способность к восстановлению, которой обладает указанный электрод, чем больше восстановительный потенциал электрода, тем легче он будет восстанавливаться, другими словами, что он является лучшим окислителем . Например, фторфторидный электрод F ₂ /F — имеет восстановительный потенциал 2,87 В, а литиевый электрод Li + /Li имеет значение -3,05 В. Фтор легко восстанавливается и поэтому является хороший окислитель. . Напротив, твердый литий Li(s) предпочитает подвергаться окислению (поэтому он является хорошим восстановителем ). Таким образом, ион цинка, Zn 2+ , стандартный восстановительный потенциал которого составляет -0,76 В, может быть окислен любым другим электродом, стандартный восстановительный потенциал которого больше -0,76 В (например, H + (0 В), Cu 2 + (0,16 В) или F ₂ ( 2,87 В)); и может быть восстановлен любым электродом со стандартным восстановительным потенциалом менее -0,76 В (например, H ₂ (-2,23 В), Na + (-2,71 В) или Li + (-3, 05 В)).

В гальваническом элементе, когда электрический ток возникает в результате спонтанной окислительно-восстановительной реакции , свободная энергия Гиббса должна быть отрицательной в соответствии со следующим уравнением:
ΔгТо{\ displaystyle \ Delta G ^ {\ rm {o}}}

Δгсе´лТознак равно−нФЕсе´лТо{\ Displaystyle \ Delta G _ {\ тт {с {\ острый {е}} л}} ^ {\ тт {о}} = -nFE _ {\ тт {с {\ острый {е}} л}} ^ {\ гм {о}}}

где – число молей электронов на моль продуктов , – постоянная Фарадея, ~96485 Кл/моль. Таким образом, будут применяться следующие правила:
н{\ Displaystyle п}Ф{\ Displaystyle F}

• Если , то процесс самопроизвольный (гальванический элемент или батарея)Есе´лтылаТо>{\ displaystyle E _ {\ rm {c {\ острый {e}} кальмар}} ^ {\ rm {o}}> 0}
• Если , то процесс НЕ самопроизвольный (электролитическая ячейка)Есе´лтылаТо<{\ displaystyle E _ {\ rm {c {\ острый {e}} кальмар}} ^ {\ rm {o}} <0}

Таким образом, для возникновения самопроизвольной реакции ( ) должно быть верно, что , где:
ΔгТо<{\ Displaystyle \ Дельта G ^ {\ тт {о}} <0}Есе´лТо>{\ displaystyle E _ {\ rm {c {\ acute {e}} l}} ^ {\ rm {o}}> 0}

Есе´лТознак равноЕса´тТогТоТо−Еа´нТогТоТо{\displaystyle E_{\rm {c{\acute {e}}l}}^{\rm {o}}=E_{\rm {c{\acute {a}}todo}}^{\rm {o}}-E_{\rm {{\acute {a}}nodo}}^{\rm {o}}}

где — стандартный потенциал анода (знак значения стандартного восстановительного потенциала для этого электрода перевернут и, следовательно, перед ним стоит знак минус) и — стандартный потенциал катода, как показано в таблице или таблица потенциалов стандартного электрода.
Ea´nodoo{\displaystyle E_{\rm {{\acute {a}}nodo}}^{\rm {o}}}Eca´todoo{\displaystyle E_{\rm {c{\acute {a}}todo}}^{\rm {o}}}